De kosmische geschiedenis van het levengevende fosfor

ondanks zijn indrukwekkende biologische resume is fosfor relatief ontoegankelijk als elementen gaan. Om te begrijpen hoe fosfor zijn prominente rol kreeg, modelleren wetenschappers de vroege geochemische omgeving op aarde en in de ruimte.

de meest voorkomende elementen in een typische cel zijn waterstof, zuurstof, koolstof, stikstof, fosfor en zwavel. Al deze, behalve fosfor, staan in de top 10 van de meest voorkomende elementen in het zonnestelsel. Fosfor komt op nummer 17.

“fosfor is het minst voorkomende element kosmisch gezien relatief aan zijn aanwezigheid in de biologie,” zei Matthew Pasek van de University of South Florida.

deze schaarste aan fosfor is nog ernstiger op het aardoppervlak, waar een groot deel van het fosfor is opgesloten in bepaalde mineralen waarvan het leven moeilijk gebruik kan maken.

dus hoe is het leven afhankelijk geworden van dit relatief zeldzame element?

Pasek voert een inspanning om rekening te houden met de mogelijke chemische routes die fosfor had kunnen nemen om beschikbaar te komen voor leven op de vroege aarde. Dit onderzoek wordt ondersteund door NASA ‘ s Exobiology and Evolutionary Biology program.

kan niet genoeg krijgen

fosfor krijgt meestal niet zoveel aandacht als andere essentiële voedingsstoffen zoals calcium en ijzer, maar het element P komt voor in een verrassend breed scala van biologische moleculen.

om te beginnen is fosfor een belangrijk structureel element in DNA en RNA. Beide genetische moleculen hebben een suiker-fosfaat backbone. Het fosfaat (PO4) werkt als een soort “superlijm”, omdat het drie zuurstofatomen heeft die ladingen in oplossing dragen. Twee van deze zuurstofatomen vormen ionenbindingen met twee naburige suikers, terwijl de derde zuurstof “bungelend” blijft met een negatieve lading die het hele DNA-of RNA-molecuul negatief geladen maakt. Deze algemene Last helpt om de molecule te houden van het drijven uit zijn verboden plaats.

niet veel moleculen kunnen deze drielading jongleren act uitvoeren. Arsenaat is een mogelijkheid. Onlangs beweerde een groep onderzoekers een microbe te hebben gevonden die arsenaat zou kunnen gebruiken in plaats van fosfaat, maar de controverse blijft over deze veronderstelde ontdekking.

” De jury is nog steeds uit over arsenaat, maar het is duidelijk dat fosfaat is de beste optie wanneer gegeven een keuze, ” Pasek zei.

fosfaat speelt een andere rol in de cel naast die in DNA. Het verschijnt drie keer in adenosine trifosfaat, of ATP, die een essentiële vorm van energieopslag in cellen is. Veel biologische functies vereisen de energie van de afbraak (of het branden) van ATP, die vaak de “moleculaire eenheid van munt” in energieoverdracht wordt genoemd.”het menselijk lichaam maakt elke dag zijn gewicht aan ATP en verbrandt het,” legt Pasek uit.

fosfor speelt ook een belangrijke rol bij gewervelde dieren, waarvan de botten en tanden apatiet bevatten, een zeer stabiel fosfaatmineraal.

vitamine P

vanwege zijn vitale rol moeten alle organismen op aarde een bron van fosfor vinden.

mensen en andere dieren krijgen hun fosfor uit het eten van planten (of door het eten van dieren die planten eten). Planten halen fosforverbindingen uit de bodem, maar veel daarvan is gerecycled materiaal van rottend organisch materiaal.

planten zijn niet in staat om al het beschikbare fosfor in de bodem te recyclen, dus een deel ervan gaat via afvoer de oceaan in. Daar kan het worden gebruikt door mariene organismen, maar uiteindelijk bezinkt het fosfaat op de zeebodem waar het wordt opgenomen in gesteentesedimenten.

zodra het fosfor is opgesloten in onoplosbare mineralen, duurt het zeer lang voordat het weer in een vorm is die planten en andere organismen kunnen gebruiken. De fosforcyclus is een van de langzaamste elementcycli van biologisch belang.

niet tevreden met het wachten op geologische processen om fosfor vrij te maken, besteden mensen momenteel veel moeite aan het delven van “natuurfosfaat” en het chemisch te wijzigen om kunstmest te maken.

en daar is het probleem voor astrobiologen. De eerste levensvormen hadden niemand om P – rijke mest op te strooien, dus waar halen ze hun fosfor vandaan?

een ander pad

het grootste deel van het fosfor op het aardoppervlak wordt aangetroffen in een bepaald type fosfaat. De reden, legt Pasek uit, is dat fosfaat de laagste energietoestand is voor P in de zuurstofrijke omgeving van onze planeet. Maar er bestaan ook andere-meer gereduceerde-fosforverbindingen.

“gereduceerd fosfor is chemisch reactief dan fosfaat,” zei Pasek. Deze extra reactiviteit had fosfor miljarden jaren geleden in het spel van het leven kunnen krijgen.

voorbeelden van gereduceerde fosforverbindingen zijn fosfiden. Deze moleculen zijn typisch combinaties van fosfor en metalen, zoals het zinkfosfide gevonden in rattengif of het ijzer-nikkel fosfide genaamd schreibersite.

De aarde bevat veel fosfide, maar het grootste deel ervan bevindt zich in de kern, begraven onder 3000 km gesteente. Aan het oppervlak is een van de meest voorkomende, natuurlijk voorkomende fosfiden schreibersiet, die niet van onder komt maar van boven in de vorm van meteorieten.

” We kunnen niet uit kernmateriaal van de aarde, maar we hebben toegang tot het kernmateriaal van asteroïden die uit elkaar zijn gebroken om meteorieten te creëren, ” zei Pasek.

Fosfiden hebben de neiging om zich te vormen wanneer zuurstof schaars is en metalen overvloedig aanwezig zijn. Vandaar dat de kernen van de meeste astronomische lichamen fosfiden hebben. Fosfiden kunnen zich ook vormen wanneer een fosfaatmineraal wordt getroffen door bliksem of een hoge energie-impact.Pasek en zijn collega ‘ s hebben geologische monsters van fosfiden bestudeerd, en ze hebben ontdekt dat de meeste fosfiden op het aardoppervlak afkomstig zijn van meteorieten. Na verloop van tijd is veel van dit materiaal geëvolueerd tot fosfaten. Het team schat dat 1 tot 10 procent van de fosfaten die op aarde gevonden worden, afkomstig zijn van meteorieten.

De klok terugdraaien

hoewel fosfiden en andere gereduceerde fosforverbindingen geen belangrijke rol spelen in de huidige biologie, zijn ze wellicht prominenter geweest omdat het leven moeite had om voet aan de grond te krijgen op deze planeet.met computersimulaties modelleren Pasek en zijn collega ‘ s p-gerelateerde chemie in verschillende perioden vanaf het begin van het zonnestelsel tot aan de vroege levensstadia. Ze richten zich op de aarde, maar ze kijken ook naar andere plaatsen naast waar P chemie belangrijk kan zijn geweest, zoals kometen en de maan Titan.ze hebben hun simulaties uitgebreid met experimenten, waarbij schreibersiet en andere meteorische mineralen worden toegevoegd aan een “primordiale soep” van water en organische moleculen. De mengsels hebben enkele organo-fosforverbindingen geproduceerd die vergelijkbaar zijn met die welke in de biologie worden gevonden. Bijvoorbeeld, hebben de onderzoekers uit trifosfaten gevist die tot dezelfde moleculaire familie zoals ATP behoren.

” We hebben veel geluk gehad met onze experimenten tot nu toe, ” zei Pasek.

origineel recept?door hun werk hoopt Pasek ‘ s team het fosfor chemisch landschap te kunnen leveren gedurende de eerste 2 miljard jaar van de geologische geschiedenis van de aarde. Dit zou kunnen helpen ontdekken wanneer en hoe het leven zo sterk afhankelijk werd van dit element.

“De tijd en de wijze waarop fosfor in het leven komt is echt een intrigerende puzzel”, zegt Nicholas Hud van Georgia Tech.

HUD gelooft dat fosfor niet een van de ingrediënten is geweest in het eerste recept van het leven.

“nucleïnezuren, eiwitten en lipiden gebruiken allemaal fosfor, maar we kunnen ons voorstellen dat het een latere vervanging van eenvoudiger moleculen was,” zei Hud.

in nucleïnezuren, bijvoorbeeld, zou de” lijm ” rol van fosfaat kunnen zijn gevuld met glyoxylaat, een molecuul dat nog steeds in het leven wordt gebruikt. Hud denkt dat fosfor zou kunnen zijn begonnen als een spoorelement in een paar biologische processen, en pas later realiseerde het leven al het potentieel dat fosfor heeft voor het leven.

“zodra het leven de moleculaire machines ontwikkelde die de integratie van fosfor mogelijk maakten, en zelfs het’ oogsten ‘van fosfor, zou het leven naar een hoger niveau zijn verplaatst,” zei Hud. “Het opnemen van fosfaat vertegenwoordigde waarschijnlijk een belangrijke evolutionaire vooruitgang in het leven (als het er niet was bij het allereerste begin) en is daarom uiterst belangrijk voor het begrijpen van de oorsprong en vroege evolutie van het leven.”

Dit verhaal werd geleverd door Astrobiology Magazine, een web-based publicatie gesponsord door het NASA astrobiology program.